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多年来,空间结构件的选材主要为高强度钢或少量的Ti合金。但钢铁材料的密度太大,Ti合金的耐磨性较低,并不是最理想的空间结构材料。Zr和Zr合金具有良好的耐腐蚀性、较低的密度和较高的耐磨性,但现有Zr合金强度较低,限制了它在空间构件领域的应用。目前Zr合金强韧化的研究重点主要集中在固溶强化和非晶强化上,关于Zr基金属间化合物合金强韧化设计报导很少。Zr基金属间化合物合金的硬度和强度很高,且具有屈服强度随温度升高而升高的反常屈服现象等多种优异的力学及物理化学性能,只要克服了室温塑性差的缺陷,就有望成为新型空间结构材料。本文以丰富空间结构材料类型为目标,通过化学成分设计及优化、热变形和热处理工艺研究,制备出了具有较高室温塑性兼较高强度的Zr3Al基金属间化合物合金,并探索了其成分、工艺、组织和力学性能之间的内在联系。利用非自耗电弧炉制备了不同Al含量的Zr-Al二元合金,通过铌合金化和硼微合金化对Zr-Al合金再合金化,并进行了不同工艺的热变形和热处理。结果表明:利用非自耗电弧炉熔炼得到的Zr-Al二元合金的相组成为Zr2Al和α-Zr,通过退火过程中发生的包析反应βZr+Zr2Al?Zr3Al得到的合金相组成为Zr3Al和α-Zr。Zr3Al基合金的力学性能主要由相组成和晶粒尺寸决定。由于Zr2Al相的脆性很高,因此当合金含有Zr2Al时,延伸率几乎为零,拉伸试验的断口形貌为脆性断裂;当合金的相组成为Zr3Al和α-Zr时,合金具备一定的塑性,拉伸试验的断口形貌为韧性断裂;Zr3Al相的含量越大,抗拉强度越高,延伸率越低。Zr3Al基合金中Al含量由6wt%增大至8wt%时,发生包析反应的温度由750℃提高至850℃。而将Zr-6Al合金的退火温度由850℃降低至750℃时,晶粒尺寸由400μm减小至150μm,强度由589MPa提高至664MPa,塑性少量提高。热变形处理大幅提高了合金的力学性能,热变形Zr-6Al合金750℃退火后的抗拉强度和延伸率分别达到777MPa和8.8%。在Zr-6Al合金中添加6wt%的Nb可使一部分体心立方结构的高温β相保留至室温,但9wt%的Nb完全抑制了合金中的βZr+Zr2Al?Zr3Al包析反应。表明在Zr3Al基合金中添加一定量的Nb元素有利于塑性更好的β-Zr保留至室温,但同时需要提高退火温度或延长保温时间以促进包析反应,由此引起的合金组织粗大导致其力学性能的降低。因此,在Zr3Al基合金中添加大量Nb元素不能提高合金的力学性能。硼元素可显著细化Zr3Al基合金的晶粒尺寸,0.1wt%的硼加入Zr-6Al合金经过750℃保温4小时退火后,晶粒尺寸由395μm细化至23μm,抗拉强度由777MPa增大至1093MPa,延伸率由8.8%增大至15.2%,获得了综合力学性能优异的Zr3Al基合金结构材料。利用感应熔炼和热变形方法制备了φ38×260mm的较大尺寸Zr3Al基合金,热变形使铸态合金中的第二相由棒状转变为颗粒状,Zr-6Al-0.1B合金经过750℃保温4小时退火后的抗拉强度为1173MPa,延伸率为17.6%,从而获得了可以制作小尺寸空间结构件的Zr3Al基合金结构材料。